Усилители на примесном волокне.

(Усиление большого числа каналов в широкой области длин волн одновременно) Этот тип оптического усилителя наиболее широко распространен и является ключевым элементом в технологии полностью оптических сетей, поскольку он позволяет усиливать сигнал в широком спектральном диапазоне.

Слабый входнойоптический сигнал (1) проходит через оптический изолятор (2), который пропускает свет в прямом направлении - слева направо, но не пропускает рассеянный свет в обратном направлении, далее проходит через блок фильтров (3), которые блокируют световой поток на длине волны накачки, но прозрачны к длине волны сигнала. Затем сигнал попадает в катушку с волокном, легированным примесью из редкоземельных элементов (4). Длина такого участка волокна составляет несколько метров. Этот участок волокна подвергается сильному непрерывному излучению полупроводникового лазера (5), с 6олее короткой длиной волны накачки, установленного с противоположенной стороны. Свет от лазера накачки - волна накачки (6) - возбуждает атомы примесей. Возбужденные состояния имеют большое время релаксации, чтобы спонтанно перейти в основное состояние. Однако при наличии слабого сигнала происходит индуцированный переход атомов примесей из возбужденного состояния в основное с излучением света на той же длине волны и с той же самой фазой, что и повлекший это сигнал. Селективный разветвитель (7) перенаправляет усиленный полезный сигнал (8) в выходное волокно (9). Дополнительный оптический изолятор на выходе (10) предотвращает попадание обратного рассеянного сигнала из выходного сегмента в активную область оптического усилителя.

Рис.13 – Оптический усилитель на примесном волокне

Активной средой является одномодовое волокно, сердцевина которого легирована примесями редкоземельных элементов с целью создания трёхуровневой атомной системы, это представлено на рис.14.

Рис. 14 – Энергетическая диаграмма

Лазер накачки возбуждает электронную подсистему примесных атомов, в результате чего электроны с основного состояния (уровень А) переходят в возбуждённое состояние (уровень В). Далее происходит релаксация электронов с уровня В на промежуточный уровень С.

Когда заселённость уровня С становится достаточно высокой, так что образуется инверсная заселённость уровней А и С, то такая система способна индуцировано усиливать входной оптический сигнал в определённом диапазоне длин волн. При отсутствии входного сигнала происходит спонтанное излучение возбуждённых атомов примесей, приводящее к шуму.

Режимы работы усилителя во многом зависят от типа примесей и от диапазона длин волн, в пределах которого он должен усиливать сигнал. Наиболее широко распространены усилители, в которых используется кремниевое волокно, легированное эрбием. Такие усилители получили название EDFA.

Межатомное взаимодействие является причиной очень важного положительного фактора - уширения уровней, что, в конечном итоге, обеспечивает усилителю широкую зону усиления сигнала. В EDFA наиболее широкая зона усиления от 1530 до 1560 нм, соответствующая переходу , достигается при оптимальной длине волны лазера накачки 980 нм.

Усиление в другом окне прозрачности 1300 нм можно реализовать с использованием примесей празеодимия, однако такие оптические усилители не получили большого распространения.

Коэффициент усиления сигнала зависит от его входной амплитуды и длины волны. При малых входных сигналах амплитуда выходного сигнала растёт линейно с ростом входного сигнала, коэффициент усиления достигает при этом своего максимального значения.

Однако при некотором достаточно большом входном сигнале сигнал на выходе достигает своего насыщения, что приводит к падению коэффициента усиления при дальнейшем увеличении уровня входного сигнала рис.15.

Рис. 15 - Коэффициент усиления кремниевого EDFA при различных значениях мощности входного оптического сигнала.

Характерным для оптических усилителей является широкополосный собственный шум, рис.16. Этот шум, которого избежать невозможно, главным образом связан со спонтанным излучением инверсно-заселенных уровней на примесных атомах.

Рис.16 - Мощность выходного сигнала и шума в EDFA

Выводы

В данной теме рассмотрены основы физики активных волоконно-оптических компонентов – источников оптического излучения (светодиоды и лазерные диоды), фотоприёмники, а также оптические усилители. Использование, которых положено в основу волоконно-оптических систем.

Перечислены основные требования, предъявляемые к источникам и приёмникам оптического излучения. Дан анализ спектрам излучений лазеров и светодиодов.

Показано, что увеличение скорости и дальности передачи связано с использованием оптических усилителей ОУ в сочетании с оптическими волокнами со смещённой ненулевой дисперсией. При этом коэффициент усиления ОУ сигнала зависит от его амплитуды и длины волны.

Также приведены основные характеристики, конструкция, достоинства и недостатки.

Контрольные вопросы.

1.Перечислите требования, предъявляемые к источникам оптического излучения?

2.В чём заключаются конструктивные отличия лазерного диода по сравнению со светодиодами?

3.Для чего был разработан лазерный диод с распределённой обратной связью?

4.Укажите основные отличия ЛФД и PIN фотодиодов. Достоинства недостатки.

5.Сравните основные характеристики повторителей и оптических усилителей. Сделайте вывод.

3. Пассивные оптические компоненты.

3.1 Оптические коммутаторы

Оптические коммутаторы выполняют в полностью оптических сетях ту же функцию, что и обычные электронные коммутаторы в традиционных сетях, а именно обеспечивают коммутацию каналов или коммутацию пакетов. Наряду с простейшим коммутатором 2х2 в настоящее время начали поставляться коммутаторы с числом портов 4х4, 8х8 и 16х16.

Основными параметрами коммутатора являются: перекрёстные помехи, вносимые помехи, скорость переключения, управляющее напряжение.

В настоящее время используются разнообразные типы оптических коммутаторов - направленные ответвители, мостовой балансовый интерферометр и коммутатор на скрещивающихся волноводах.

Работа оптического коммутатора основана на линейном электрооптическом эффекте Поккельса, который заключается в изменении показателя преломления материала пропорционально приложенному электрическому напряжению.